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Der Nutzen des Irrealen


Gehirn & Geist - epaper ⋅ Ausgabe 8/2021 vom 02.07.2021

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Bildquelle: Gehirn & Geist, Ausgabe 8/2021

UNSPLASH / GREGORY PAPPAS (UNSPLASH.COM/PHOTOS/RUC9HVE-L-E)

Auf einen Blick: Unangepasste Erfahrungen

1 Aus der KI-Forschung ist bekannt, dass künstliche neuronale Netze schlechter lernen, wenn die Trainingsdaten zu ähnlich sind. Sie können stärker abweichenden Input dann nicht mehr interpretieren. Dieses Problem heißt »Overfitting« (Überanpassung).

2 Möglicherweise steht unser Gehirn vor derselben Herausforderung: Unsere alltäglichen Erlebnisse gleichen sich relativ stark. Das erschwert es uns, mit ungewöhnlichen Situationen oder Eindrücken umzugehen.

3 Träume und andere Fiktionen könnten eine Überanpassung des Gehirns verhindern. Denn sie füttern unsere neuronalen Netzwerke im Kopf mit ungewöhnlichen, manchmal geradezu halluzinatorischen Daten, ohne uns real in Gefahr zu bringen.

Falls Außerirdische jemals die Erde besuchen, stutzen sie womöglich über etwas Sonderbares: Überall verbringen Menschen ...

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... einen Großteil ihrer Zeit mit Dingen, die nicht real sind. So begeistern sie sich leidenschaftlich für Geschichten, die lediglich in Filmen, Romanen oder Videospielen stattfinden. Woher rührt unsere Liebe zur Fiktion?

Vielleicht, so könnten die Aliens annehmen, sind Menschen zu dumm, um zwischen Fantasie und Realität zu unterscheiden. Noch verwirrender dürften es die Besucher aus dem All finden, dass wir uns auch im Schlaf mit Irrealem beschäftigen. Träumen kostet den Organismus Zeit und Energie. Vermutlich hat es also einen evolutionären Zweck. Nun fragen sich die Außerirdischen so langsam, ob sie etwas übersehen, was die Tragweite des nicht realen Erlebens erklären könnte.

Als Schriftsteller interessiert auch mich diese Frage brennend, und als Neurowissenschaftler habe ich hierzu eine Hypothese entwickelt, die auf Erkenntnissen zu künstlichen neuronalen Netzen fußt. Möglicherweise verbessert Träumen unsere Leistungen im Wachzustand gerade dadurch, dass wir in ihnen Schräges erleben. Trifft meine Hypothese zu, könnte sie zugleich die erstaunliche Anziehungskraft des Irrealen am helllichten Tag erklären.

Das Studium der Träume, auch Oneirologie genannt, erlitt in den ersten Jahrzehnten des 20. Jahrhunderts quasi einen Fehlstart, als Sigmund Freud (1856–1939) sie mit seinen Ideen zur psychosexuellen Entwicklung verquickte. Laut dem Begründer der Psychoanalyse sind Träume Ausdruck verdrängter Wünsche. Diese Vorstellung gilt zwar als überholt, aber die Traumforschung konnte diese Assoziation nie ganz abschütteln.

Glücklicherweise belebten in den letzten Jahrzehnten empirische Methoden der Hirnbildgebung und Beobachtungen im Schlaflabor das Feld. Sie gewährten Einblicke in die biologischen Grundlagen des nächtlichen Kopfkinos. So ist inzwischen klar, dass es das Ergebnis einer lokalen neuronalen Aktivität darstellt, die wahrscheinlich, weitgehend unabhängig von Umweltreizen, durch die vielen Feedback-Schleifen im Gehirn entsteht. Träumen stellt dabei einen außergewöhnlichen physiologischen Zustand dar: Die Hirnaktivität ähnelt einerseits jener im Wachzustand, andererseits bleibt ein Agieren jedoch auf Grund einer körperlichen Lähmung, der Schlafparalyse, aus.

Obwohl wir eine ganze Menge über die Mechanismen des Träumens in Erfahrung bringen konnten, wissen wir nach wie vor wenig darüber, wozu es gut ist. Einige Forscher sind der Meinung, dass wir das auch nicht unbedingt verstehen müssen. Womöglich seien Träume nur unbedeutende Nebenprodukte des Schlafs, den wir aus irgendeinem Grund brauchen, etwa weil das Gehirn ihn nutzt, um seinen Stoffwechselschutt zu beseitigen. Aber diese »Null-Hypothese« geriet durch eine Reihe von Erkenntnissen ins Wanken, die auf einen eigenen evolutionären Zweck hindeuten. Immerhin verbringen wir jede Nacht mehrere Stunden in Traumstadium.

Die Eigenarten der Träume 

Im Allgemeinen erklären die bisherigen Ideen nicht die besondere »Phänomenologie« der Träume: ihr einzigartiges, hochspezifisches Erscheinungsbild. Zum Beispiel sind sie im Gegensatz zur Wacherfahrung mit viel weniger Details ausgestattet. Träume sind außerdem halluzinatorischer Natur, weil sie unrealistische, verzerrte Konzepte und Wahrnehmungen darstellen. Zu- gleich erzählen sie Geschichten und liefern dabei sozusagen eine fantastische, schräge Version jener Begebenheiten, die uns im Alltag begegnen könnten.

UNSER EXPERTE

Erik Hoel lehrt theoretische Neurowissenschaften an der Tufts University in Boston (USA). Er beschäftigt sich unter anderem mit der mathematischen Beschreibung von Bewusstsein und hat einen Roman (»The Revelations«), zahlreiche Kurzgeschichten sowie Essays verfasst.

Laut einer weithin akzeptierten Hypothese ist das Träumen irgendwie an der Gedächtnisspeicherung beteiligt. Man stützt sich dabei auf die Computermetapher: Das Gehirn erzeuge explizite Erinnerungen und speichere sie etwa so ab, wie man Daten auf einer Festplatte codiert. Die Neurowissenschaft hat sich schon immer gern solcher Bilder bedient; noch bevor die Disziplin ihren Namen erhielt, sprach man vom »Uhrwerk« im Gehirn. Aber manchmal führen Metaphern ihre Erfinder in die Irre.

Es ist bekannt, dass sich bei einigen Aufgaben nach einer Portion Schlaf einige Gedächtnisleistungen verbessern. Doch was heißt das eigentlich: eine Erinnerung über Nacht speichern? Elektrophysiologische Studien an Ratten in den 1990er Jahren legten nahe, dass die Tiere ihre Wacherlebnisse hin und wieder im Schlaf erneut »abspielen«, in Form jener spezifischen neuronalen Feuersequenzen, die sich physiologisch bereits im Wachzustand messen ließen. Sind Träume einfach Wiederholungen von Erinnerungen?

Tagsüber an einem Lernvorgang beteiligte Nervenzellen scheinen tatsächlich auch während des Schlafs vermehrt zu feuern. Zwei andere Beobachtungen weisen jedoch darauf hin, dass diese Erklärung allein zu kurz greift. Zum einem ist das Wiederabspielen stärker mit dem so genannten Non-REM-Schlaf assoziiert als mit dem REM-Schlaf, in dem die intensivsten Träume auftreten. Zum anderen ist unklar, ob dabei wirklich lediglich Erinnerungen durchgespielt werden. Spätere Untersuchungen an Nagern ergaben, dass das Gehirn während der REM-Perioden häufiger neue als bereits bekannte Erregungsmuster produziert. Nur äußerst selten berichten Menschen von Träumen, die exakt ein Erlebnis widerspiegeln (das gilt eher als Hinweis auf eine Posttraumatische Belastungsstörung). Auch das spricht gegen die Hypothese, Träume seien bloß reproduzierte Erfahrungen oder Nebenprodukte der nächtlichen Integration der Tageserinnerungen.

Was passiert nachts im Kopf? 

Träumen spielt beim Lernen zweifellos eine Rolle. Als Student belegte ich ein Seminar zum Thema Gedächtnis. Als Hausaufgabe sollte ich damals sozusagen über Nacht Jonglieren lernen und es dann im Kurs vorführen. Ich übte den ganzen Abend und warf verzweifelt Tennisbälle in die Luft. Schließlich schlief ich erschöpft ein und war mir sicher, dass ich mich am nächsten Tag blamieren würde. Aber als ich aufwachte, sprang ich aus dem Bett, nahm die Bälle und stellte fest, dass ich fast perfekt jonglieren konnte! Es schien wirklich, als sei im Schlaf irgendetwas passiert, was auf meiner Erfahrung im Wachzustand aufgebaut hatte.

Dennoch fällt es mir schwer zu akzeptieren, dass ich im Traum nur Erinnerungen abgespielt und gespeichert haben soll. Als ich ins Bett ging, konnte ich nicht jonglieren. Was hätte es mir genützt, im Schlaf meine misslungenen Versuche zu wiederholen? Ich bezweifle, dass ich spezielle Jonglierabläufe genau »nachgeträumt« habe. Wenn überhaupt, handelte es sich wohl nur um spärliche, halluzinatorische Fragmente.

Meine Vermutung wird durch Studien gestützt, in denen Probanden stundenlang Tetris spielen mussten, ehe sie schlafen gingen. Die Anfänger in diesem Computerspiel berichteten daraufhin, von tetrisähnlichen Bildern geträumt zu haben, etwa von »fallenden Blöcken«. Doch sie erzählten nicht von der Wiederholung bestimmter Spielsequenzen. Der beste Weg, jemanden von etwas träumen zu lassen, scheint darin zu bestehen, ihn intensiv mit einer schwierigen, ungewohnten Aufgabe zu konfrontieren.

Was hätte es mir genützt, im Schlaf meine misslungenen Jonglierversuche zu wiederholen?

KURZ ERKLÄRT: DEEP LEARNING

Teilbereich des maschinellen Lernens, bei dem ein mehrschichtiges neuronales Netzwerk ein statistisches Modell aus Trainingsdaten aufbaut. Auf diese Weise kann eine künstliche Intelligenz selbstständig Muster und Gesetzmäßigkeiten erlernen.

Ein neuer Trend in den Neurowissenschaften besteht darin, die Erkenntnisse über künstliche neuronale Netze und »Deep Learning« (siehe »Kurz erklärt«) auf das Gehirn zu übertragen. Schließlich sind diese KI-Technologien von der Funktionsweise unseres Denkorgans inspiriert und die einzigen, die es Maschinen ermöglichen, komplexe kognitive Aufgaben auf menschlichem Niveau zu lösen. Aus dieser Perspektive entspricht das Lernen ganz und gar nicht dem Speichern von Erinnerungen auf einem Computer. Vielmehr geht es um die Feinabstimmung eines riesigen, mehrschichtigen Netzwerks von Verbindungen auf Grundlage eines zwangsläufig begrenzten Erfahrungsschatzes, dem so genannten Trainingsdatensatz. Jedes Beispiel, mit dem man das System füttert, hilft ihm, Muster und Verbindungen seines Netzwerks so lange zu optimieren, bis es das Trainingsset effektiv analysieren kann.

Man hofft, dass das System seine Leistung durch Generalisieren und Transfer auch auf neue, noch nie gesehene Daten anwenden kann. Aber das funktioniert nicht immer, weil die Trainingsdaten zwangsläufig unausgewogen und systematisch verzerrt sind. Oft stimmt sich ein Netzwerk so fein auf die Besonderheiten des jeweiligen Sets ab, dass es nicht zu generalisieren vermag. Dies wird als »Overfitting« (Überanpassung) bezeichnet und ist ein allgegenwärtiges Problem beim Deep Learning.

Inzwischen hat sich eine Reihe von Gegenmaßnahmen etabliert. Bei den meisten stört man beim Training die Eingabe in irgendeiner Form »zufällig«. Eine der Strategien etwa bezeichnen KI-Experten als »domain randomization«: Der Input während des Lernens ist dabei so stark verfälscht, dass er gewissermaßen »Netzwerkhalluzinationen« hervorruft. Ein solches Vorgehen hat sich zum Beispiel als unabdingbar erwiesen, als das Unternehmen OpenAI ein neuronales Netz trainierte, per Roboterhand Zauberwürfel zu lösen.

Es gibt guten Grund zu der Annahme, dass unser Gehirn vor einer ähnlichen Herausforderung steht. Unser Wahrnehmungsalltag ist statistisch betrachtet ziemlich »selbstähnlich«, das heißt, das verfügbare Trainingsset ist eng begrenzt und sehr einseitig. Dennoch müssen wir gewisse Fähigkeiten verallgemeinern können, um unter neuen, unerwarteten Umständen erfolgreich zu sein. Das gilt sowohl für die Bewegungssteuerung als auch für kognitive Verständnisprozesse. Wir müssen uns nicht an alles erinnern, was wir erlebt haben – aber wir müssen das Wenige, was wir gesehen und getan haben, übertragen können.

Laut der Overfitted-Brain-Hypothese lernen viele Tiere und der Mensch so effektiv, dass sie beständig Gefahr laufen, sich zu stark an ihre alltäglichen Aufgaben anzupassen. Träume könnten hierbei als »Rauschinjektionen« dienen, die nicht das im Wachzustand Gelernte verstärken, sondern dem mit dem Lernen verbundenen Overfitting entgegenwirken.

Wann Halluzinieren ungefährlich ist 

Das Leben ist für die meisten Tiere ein Drahtseilakt – durch »domain randomization« ausgelöste halluzinatorische Zustände im Wachen wären in tausenderlei Hinsicht gefährlich. Im »Offline-Modus« des Schlafs dagegen kann man Aktivierungsmuster riskieren, die zwar alltäglichen Situationen ähneln, jedoch detailarm und halluzinatorischer Natur sind. Träume wären demnach ein selbst erzeugter, »korrumpierter« Input, der das Generalisieren erleichtert und somit die Hirnleistung im Wachzustand verbessert. So kann sogar jemand, der am Jonglieren gescheitert ist, einfach einschlafen und als Jongleur wieder aufwachen.

Die Overfitted-Brain-Hypothese nimmt die Phänomenologie der Träume ernst und tut sie nicht bloß als unerklärliches »Epiphänomen« neuronaler Prozesse ab. In der Tat sind es gerade ihre besonderen Eigenschaften, die Träume zu so effektiven Mitteln gegen die Überanpassung machen. So seltsam es erscheinen mag: Fiktive Erlebnisse, die mit einer Erfahrung zwar zusammenhängen, sich aber zugleich grundlegend von ihr unterscheiden, sind hilfreich. Vom Fliegen zu träumen, könnte uns dabei unterstützen, beim Rennen das Gleichgewicht zu halten.

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Natürlich ist das nur eine ungeprüfte Theorie. Es liegt noch viel Arbeit vor uns, bevor wir beurteilen können, welchen Nutzen das Träumen wirklich hat und ob es die Überanpassung gemäß der Hypothese beeinflusst. Auch wird derzeit noch detaillierter untersucht, wann genau im Schlaf Traumphasen auftreten und wie sich Synapsen im Gehirn dann verändern. Doch wenn wir Träume aus dieser neuen Perspektive betrachten, können wir zumindest die Computer- und Speichermetapher hinter uns lassen. Lernen heißt womöglich, Kompromisse einzugehen, etwa den zwischen Auswendiglernen und Verallgemeinerung. Legen wir beim Üben zu viel Wert auf die Einzelheiten, könnte das genauso schlecht sein, wie überhaupt nicht zu üben.

Wenn meine Hypothese stimmt, reicht ihre Bedeutung womöglich noch weiter: Vielleicht bereiten Kunst und Literatur dem Menschen deshalb Vergnügen, weil die oft halluzinatorische, schräge Unwirklichkeit, die uns Romanautoren, Filmemacher oder Schamanen präsentieren, unseren zur Erstarrung neigenden Geist beweglich hält. Fiktionen erweitern für uns nicht nur das Datenset unseres alltäglichen Lernens, sondern unterstützen auch das Gehirn bei der Generalisierung. Hätten unsere außerirdischen Besucher das verstanden, wären sie vermutlich nicht mehr so erstaunt darüber, dass wir von Fiktionen so besessen sind. 

© 2021 New Scientist Ltd. Syndiziert durch Tribune Content Agency

QUELLEN 

Gupta, A. S. et al.: Hippocampal replay is not a simple function of experience. Neuron 65, 2010 

Hoel, E.: The overfitted brain: Dreams evolved to assist generalization. Patterns 2, 2021

Siclari, F. et al.: The neural correlates of dreaming. Nature Neuroscience 20, 2017

Dieser Artikel im Internet: www.spektrum.de/artikel/1880719